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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenbearbeitung
von Werkstücken nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
den bekannten Verfahren zur Innenbearbeitung, wie beispielsweise
dem Innenrundschleifen, erfolgt eine abrasive Bearbeitung der Bohrungsoberfläche mittels
einer Schleifscheibe oder eines Schleifzylinders, der mit einer
parallel zur Bohrungsachse verlaufenden Rotationsachse relativ zum
Werkstück rotiert.
In der Regel werden dabei das Werkstück und das Schleifwerkzeug
in gegensinnige Rotationsbewegungen versetzt, wobei sich eine Schleifkontaktfläche in Längsrichtung
der Bohrungsachse zwischen dem Schleifwerkzeug und der Bohrungsoberfläche ergibt. Überlagert
wird die Rotationsbewegung des Schleifwerkzeugs durch eine Vorschubbewegung
in Rotationsachsenrichtung bzw. durch eine Vorschubbewegung des
Werkstücks
gegenüber
dem Schleifwerkzeug in Richtung der Bohrungsachse. Ähnliche
Kontaktverhältnisse
sind bei einer spanenden oder honenden Bearbeitung der Bohrungsoberfläche ebenso
gegeben wie bei einer Walzbearbeitung.
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Auf
Grund der relativ großen
Kontaktfläche zwischen
dem Werkzeug und dem Werkstück
ergibt sich insbesondere beim Schleifen, also einer abrasiven Bearbeitung
der Bohrungsoberfläche
mittels sogenannter geometrisch unbestimmter Schneide, durch die
zwischen den Schleifkörnern
des Schleifwerkzeugs und der Bohrungsoberfläche ablaufenden Scher-, Trenn-
und Reibvorgänge
eine große
Wärmeentwicklung,
die nur zu einem Teil mit den Werkstückspänen abgeführt werden kann. Damit kommt es
bei der konventionellen Innenrundbearbeitung zu einer erheblichen
thermischen Belastung des Werkstücks,
die im Falle einer Schleifbearbeitung häufig zu einem sogenannten „Schleifbrand" am Werkstück sowie
am Werkzeug führen
kann. Entsprechende Bedeutung kommt daher einer Verminderung der
Wärmeentwicklung
zu.
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Weiterhin
erweist sich insbesondere bei einer Innenbearbeitung tiefer Bohrungen
die Geometrie der bei konventioneller Innenbearbeitung, wie insbesondere
dem Innenrundschleifen, eingesetzten Vorrichtungen als nachteilig
betreffend die erreichbare Maßhaltigkeit.
Wegen der regelmäßig fliegenden Lagerung
des Schleifwerkzeugs am Ende eines Werkzeugschafts, der ausreichend
lang sein muss, um einen Vorschub des Schleifwerkzeugs über die gesamte
Tiefe der zu bearbeitenden Bohrungsoberfläche zu ermöglichen, weisen die bekannten
Vorrichtungen entsprechend große
Nachgiebigkeiten auf. Um Ausweichbewegungen des Schleifwerkzeugs
und daraus resultierende Maßungenauigkeiten
so weit wie möglich
zu verhindern, wird die Anpresskraft im Kontaktbereich reduziert,
wodurch geringere Abtragsraten und entsprechend längere Fertigungszeiten
bedingt sind.
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Aus
der
JP 60 062 451 A ist
eine Vorrichtung zur Innenbearbeitung von Werkstücken mit einer in Richtung
einer Bohrungsachse verfahrbaren Spindelaufnahme und einer quer
zur Spindelaufnahme angeordneten Spindelanordnung bekannt. Die Spindelanordnung
ist an ihren äußeren Enden
mit mittels einer Antriebseinrichtung antreibbaren, auf einer Spindelachse
drehbar gelagerten Bearbeitungswerkzeugen versehen und weist eine
auf der Spindelachse zwischen den Bearbeitungswerkzeugen vorgesehene
axiale Vorschubeinrichtung auf. Zum Antrieb ist die Spindelaufnahme
in ihrem der Spindelanordnung abgewandten Endbereich mit einer Antriebsachse der
Antriebseinrichtung verbindbar.
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Aus
der
DE 23 41 874 A ist
eine Fräsvorrichtung
zum Ausfräsen
einer Gießkokille
bekannt, die mit einem in Längsrichtung
in den Hohlraum der Gießkokille
verschiebbaren Rotationsfräser
zur Bearbeitung einer Innenfläche
versehen ist.
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Die
DE 34 46 055 A1 zeigt
eine Vorrichtung zum Schleifen der Innenflächen großlumiger gerader und gekrümmter Rohre.
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Ausgehend
von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zur Innenbearbeitung von Werkstücken vorzuschlagen, die auch
die Innenbearbeitung sehr tiefer Bohrungen ermöglicht, ohne dass zu starke
Schwingungen auftreten können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
besonders steife Ausbildung der gesamten Vorrichtung möglich, die auch
die Innenbearbeitung sehr tiefer Bohrungen ermöglicht, ohne dass zu starke
Schwingungen auftreten können,
wenn die Spindelaufnahme zusammen mit der Spindelanordnung und der
Antriebsachse einen Tragrahmen zur Verbindung der Bearbeitungswerkzeuge
mit der Antriebseinrichtung bildet.
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Dadurch,
dass zum Antrieb der Spindelanordnung die Spindelanordnung über ein
Zugmittelgetriebe mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, ist selbst
bei großen
Abständen
zwischen der Spindelanordnung und der Antriebseinrichtung eine relativ leichtgewichtige
Ausbildung des zwischen der Antriebseinrichtung und der Spindelanordnung
wirksamen Getriebes möglich.
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Im
Fall einer Verwendung der Vorrichtung zur Schleifbearbeitung erweist
es sich als vorteilhaft, wenn die Bearbeitungswerkzeuge als plane
Schleifscheiben ausgebildet sind, die eine kostengünstige und
effektive Bearbeitung der Bohrungsoberfläche ermöglichen.
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Insbesondere
zur Erzeugung besonderer Querschnittsgeometrien längs der
Bohrungsachse des Werkstücks
können
aber auch abweichende Formen für
die Schleifscheiben zum Einsatz kommen. So erweist es sich zur Herstellung
einer zumindest abschnittsweise balligen Querschnittskontur in der zylindrischen
Bohrung, wie sie beispielsweise im Rahmen der Herstellung von Lagerringen
für Pendellager
erforderlich ist, als vorteilhaft, wenn die Schleifscheiben als
sogenannte „Topfscheiben" ausgebildet sind.
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Für den Fall,
dass die Vorrichtung zur Fräsbearbeitung
eingesetzt werden soll, kann dies einfach dadurch geschehen, dass
die Bearbeitungswerkzeuge als Fräswerkzeuge
ausgebildet sind.
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Für den Fall,
dass die Vorrichtung zur Walzbearbeitung verwendet werden soll,
ist es möglich, die
Bearbeitungswerkzeuge als Walzwerkzeuge auszubilden.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Bearbeitungsvorrichtung vor dem Einfahren in die zylindrische
Bohrung eines Werkstücks;
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2 die
in 1 dargestellte Bearbeitungsvorrichtung mit einer
in der zylindrischen Bohrung des Werkstücks angeordneten Spindelanordnung;
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3 eine
in der Darstellung 2 entsprechende Darstellung
einer zweiten Ausführungsform der
Bearbeitungsvorrichtung;
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4 eine
Teilschnittdarstellung gemäß Schnittlinienverlauf
IV-IV in 3;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
einer mit der in 1 dargestellten Vorrichtung
bearbeiteten Bohrungsoberfläche;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer mit der in 1 dargestellten Vorrichtung
bearbeiteten Bohrungsoberfläche.
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1 zeigt
eine Bearbeitungsvorrichtung 10 unmittelbar vor der Anordnung
in einer zylindrischen Bohrung 11 eines Werkstücks 12.
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Die
Bearbeitungsvorrichtung 10 weist eine im vorliegenden Fall
aus zwei Längsträgern 13, 14 zusammengesetzte
Spindelaufnahme 15 auf, die an ihrem der Bohrung 11 zugewandten
Ende mit einer Spindelanordnung 16 versehen ist. Die Spindelanordnung 16 ist
in zwei, jeweils am Ende der Längsträger 13, 14 angeordneten
Spindellagern 17, 18 drehbar gelagert.
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An
den der Spindelanordnung 16 gegenüberliegenden Enden der Längsträger 13, 14 befindet sich
jeweils ein Antriebswellenlager 19, 20, in denen längs einer
Antriebsachse 46 eine Antriebswelle 21 der im
vorliegenden Fall als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinrichtung 22 drehbar
gelagert ist. Auf die Darstellung eines die Antriebseinrichtung 22 mit der
Spindelaufnahme 15 verbindenden Maschinengestells bzw.
einer Momentenstütze
wurde aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in 1 verzichtet.
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Sowohl
die Spindelanordnung 16 als auch die Antriebswelle 21 weisen
eine Umfangsverzahnung 23, 24 auf, die zur Herstellung
eines Eingriffs mit einem Zahnriemen 25 dienen und zusammen
mit dem Zahnriemen ein Zugmittelgetriebe 26 zur Kraftübertragung
von der Antriebswelle 21 auf die Spindelanordnung 16 bilden.
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Wie 1 ferner
zeigt, weist die Spindelanordnung ausgebildet im Bereich der Umfangsverzahnung 24 eine
axiale Vorschubeinheit 27 auf, die, wie durch den Doppelpfeil 28 angedeutet,
zur Längsverschiebung
von Spindelfortsätzen 29, 30 dient,
derart, dass jeweils an den äußeren Enden
der Spindelfortsätze 29, 30 angeordnete
Schleifscheiben 31, 32 relativ zueinander in Richtung
des Doppelpfeils 28 bewegbar sind.
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Zur
Durchführung
einer Schleifbearbeitung einer im Werkstück 12 ausgebildeten,
hier zylindrischen, Bohrungsoberfläche 33 kann entsprechend dem
Doppelpfeil 34 entweder das Werkstück 12 über die
Spindelanordnung 16 verfahren werden oder die Spindelanordnung 16 wird
in die Bohrung 11 verfahren, so dass eine relative Überdeckung
zwischen der Spindelanordnung 16 und der Bohrung 11 des
Werkstücks 12 entsteht,
wie in 2 dargestellt. Zur Schleifbearbeitung werden die
rotierenden Schleifscheiben 31, 32 vermittels
der Vorschubeinheit 27 in die in 2 dargestellte
Schleifkontaktstellung verfahren, in der sich insgesamt vier Schleifkontaktbereiche 35, 36, 37 und 38 zwischen
den Schleifscheiben 31, 32 und der Bohrungsoberfläche 33 ergeben. Wie
in 2 schematisch angedeutet, kann die Vorschubeinheit 27 beispielsweise
so ausgebildet sein, dass ein Doppelkniehebeltrieb 39,
der in einem Drehlager 40 über einen nicht näher dargestellten Antrieb
angetrieben wird, über
jeweils einen sowohl an einem Spindelfortsatz 29, 30 als
auch an einem Antriebshebel 41 angelenkten Verstellhebel 42, 43 eine
axiale Verschiebung der Spindelfortsätze 29, 30 bewirkt.
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Zur
Durchführung
einer gleichmäßigen Schleifbearbeitung
der gesamten Bohrungsoberfläche 33 wird
das Werkstück 12 um
eine Bohrungsachse 44 rotiert und überlagert hierzu in einer Vorschubbewegung
längs der
Bohrungsachse 44 gegenüber der
in diesem Fall ortsfest angeordneten Spindelanordnung 16 verfahren.
Gleichzeitig zur Bewegung des Werkstücks 12 rotieren die
Schleifscheiben 31, 32 in Kontakt mit der Boh rungsoberfläche 33,
so dass sich die Schleifkontaktbereiche 35 bis 38 auf
einem Eingriffskreis um die Bohrungsachse 44 entsprechend
der Rotation des Werkstücks 12 vorbewegen. Aufgrund
der in 2 dargestellten Konfiguration ergeben sich gleichzeitig
die vier Schleifkontaktbereiche 35 bis 38, die
jeweils nur in einem geringen, dem Radius r der Schleifscheiben 31, 32 entsprechenden Abstand
von einer Spindelachse 45 der Spindelanordnung 16 angeordnet
sind. Hieraus ergibt sich, dass zum einen die Anpresskräfte F in
axialer Richtung kompensiert werden und zum anderen die auf die
Schleifscheiben 31, 32 in den Schleifkontaktbereichen 35 bis 38 wirkenden
Ausweich- oder Kippmomente aufgrund des kleinen Hebelarms r gering
sind. Insgesamt ergibt sich somit eine selbststützende, im Wesentlichen wenig
nachgiebige Anordnung, so dass ein Ausweichen der Schleifscheiben 31, 32 in den
Schleifkontaktbereichen 35 bis 38 im Wesentlichen
unterbleibt und eine hohe Maßhaltigkeit
der Schleifbearbeitung möglich
ist. Die Zustellung der Schleifscheiben 31, 32 für die Spanabnahme
sowie die Kompensation des Verschleißes an den Schleifscheiben 31, 32 erfolgt über die
Vorschubeinheit 27.
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Aus
den vorstehenden Ausführungen
wird deutlich, dass somit auch die Tiefe einer Bohrung keinen Einfluss
hat auf die Qualität
der Schleifbearbeitung. Aufgrund der relativ klein ausgebildeten Schleifkontaktbereiche 35 bis 38 ergibt
sich ein relativ geringer Reibungswiderstand und somit eine entsprechend
geringe Erwärmung
des Werkstücks 12 und
der Schleifscheiben 31, 32. Die definiert ausgebildeten
Schleifkontaktbereiche 35 bis 38 ermöglichen
auch eine entsprechend definierte und damit effektive Zuführung eines
Kühlschmierstoffs.
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Aus 2 wird
ferner deutlich, dass die Bearbeitungsvorrichtung 10 mit
der quer zur Bohrungsachse 44 angeordneten Spindelanordnung 16 durch eine
geeignete Ansteuerung der Vorschubeinheit 27 nicht nur
die Schleifbearbeitung zylindrischer Bohrungen, sondern etwa auch
die Schleifbearbeitung konischer Bohrungen oder auch die Herstellung konischer
Bohrungen durch eine entsprechende Schleifbearbeitung zylindrischer
Bohrungen ermöglicht.
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Die
in 3 dargestellte Bearbeitungsvorrichtung 50 stimmt
mit Ausnahme der Ausgestaltung von Schleifscheiben 51, 52,
die als sogenannte Topfscheiben ausgebildet sind, in ihrer Ausführung mit der
in den 1 und 2 dargestellten Bearbeitungsvorrichtung 10 überein,
so dass abgesehen von den Schleifscheiben 51, 52 die übrigen Bestandteile der
Bearbeitungsvorrichtung 50 mit identischen Bezugszeichen
versehen sind.
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Die
als Topfscheiben ausgebildeten Schleifscheiben 51, 52 ermöglichen
die Herstellung von balligen Bohrungsoberflächen oder von in der Bohrungsoberfläche 33 konzentrisch
zur Bohrungsachse 44 umlaufenden Nuten mit teilkreisförmigem Nutgrund 53,
wie beispielsweise in 4 dargestellt.
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5 zeigt
eine Bohrungsoberfläche 33,
die vier parallel zur Bohrungsachse 44 verlaufende Nuten 54 aufweist.
Derartige Längsnuten
sind mit der in 1 dargestellten Vorrichtung 10 herstellbar,
wenn eine Rotation des Werkstücks 12 um
die Bohrungsachse 44 unterbleibt bzw. ein hin- und her gehendes Verschwenken über einen
relativ kleinen Schwenkwinkel um die Bohrungsachse 44 erfolgt
und dabei die Spindelanordnung 16 der Vorrichtung 10 längs der
Bohrungsachse 44 verfahren wird.
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6 zeigt
eine ebenfalls mit der in 1 dargestellten
Vorrichtung 10 bearbeitete Bohrungsoberfläche 33,
die mit teilkreisförmigen
balligen Bohrungsaufweitungen 55 versehen ist. Derartige
Bohrungsaufweitungen 55 können dadurch erzielt werden,
dass die vorstehend erläuterte
Schwenkbewegung des Werkstücks 12 um
die Bohrungsachse 44 mit einem entsprechend vergrößerten Schwenkwinkel
ausgeführt
wird.